CN113644202B - 一种自发定向成膜法制备的有机太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种自发定向成膜法制备的有机太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自发定向成膜法制备的有机太阳能电池及其制备方法，从下到上依次为衬底，透明导电阳极，阳极缓冲层，光活性层，阴极缓冲层，金属阴极；光活性层采用自发定向成膜法制备光活性层薄膜，自发定向成膜法是将有机溶剂滴加至长方形培养皿侧边缘水性溶液表面，促进有机光活性层材料溶液定向扩散形成光活性层薄膜。利用特制的长方形培养皿，能够有效的控制有机薄膜在液体表面的生长方向，进而精确调控有机薄膜内部材料分子的排布方向，实现高取向性有机薄膜的有效制备，该高取向性薄膜内部具备高载流子传输特性，且由于成膜质量高，亦利于改善活性层与其他功能层的接触，提高载流子面间传输特性，实现高性能有机太阳能电池的制备。

Description

一种自发定向成膜法制备的有机太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于有机聚合物光伏器件或有机半导体薄膜太阳能电池领域，涉及一种自发定向成膜法制备的有机太阳能电池及其制备方法。
背景技术
溶液法制备有机半导体薄膜是有机电子器件的重要特征之一，使用溶液法能够实现大规模、低成本制备半导体薄膜器件，如：有机场效应晶体管、有机发光二极管及有机太阳能电池等。其中，有机太阳能电池器件近年来发展迅猛，在经历了平面异质结电池、富勒烯基体异质结及非富勒烯体异质结等几代特性结构的发展后，有机太阳能电池目前已将器件的能量转换效率提高至超过18%，该效率值已充分满足有机光伏产业商业化生产的阈值。但值得注意的是，目前有机光伏领域的研究重点仍然集中在设计合成高性能电子给受体材料方面，而对有机太阳能电池器件的半导体光活性层薄膜形态的调控这一重要领域研究则较为缺乏，表明有机太阳能电池器件仍具有进一步提升器件性能的巨大潜力。
众所周知，薄膜内部分子排列有序性是改善有机光活性层薄膜内部分子间电荷载流子传输特性的重要一环，因此，研究如何开发新型制备工艺，定向生长有序排列的有机薄膜，提高有机太阳能电池器件性能的重要研究方向。近年来，为调控薄膜有序性，研究人员开发出许多新型湿法薄膜制备工艺，如：偏置旋涂、提拉法、刮刀涂覆等，但这些方法或多或少会引出其他问题，如薄膜不平整、材料浪费、制备精度不够等。
发明内容
本发明的目的在于：如何提供一种自发定向成膜法制备的大面积有机太阳能电池及其制备方法，着力于精细调控光活性层生长，旨在解决有机太阳能电池器光活性层内部分子排布方式不可控的问题，优化光活性层形貌及内部电荷载流子传输特性，同时，该方法兼容现有卷对卷薄膜制备工艺，能够有效实现大面积、高质量、具备分子定向排布特性的有机薄膜的快速制备。
本发明采用的技术方案如下：
一种自发定向成膜法制备的有机太阳能电池，从下到上依次为衬底，透明导电阳极，阳极缓冲层，光活性层，阴极缓冲层，金属阴极；
其中，光活性层采用自发定向成膜法制备光活性层薄膜，所述自发定向成膜法是将有机溶剂滴加至长方形培养皿侧边缘水性溶液表面，促进有机光活性层材料溶液定向扩散形成光活性层薄膜。
进一步地，所述光活性层由电子给体材料PM6与电子受体材料Y6的混合溶液制备而成，厚度范围为80~300nm；所述混合溶液中PM6和Y6的质量百分比为1:6～6:1，所述混合溶液的浓度为10～30mg/ml。
进一步地，所述所述阳极缓冲层材料为PEDOT:PSS，厚度范围为30～60nm。
进一步地，所述所述金属阴极材料为Ag、Al或Au中的一种或多种，薄层厚度范围为100～200nm。
进一步地，所述衬底材料为玻璃或透明聚合物，其中，透明聚合物材料为聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺、氯醋树脂或聚丙烯酸的一种或多种。
进一步地，所述有机太阳能电池的面积为1～10cm2。
一种自发定向成膜法制备有机太阳能电池的制备方法，制备过程包括以下步骤：
步骤1：对由透明衬底及透明导电阳极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；
步骤2：在透明导电阳极ITO表面旋转涂覆、印刷或喷涂阳极缓冲层PEDOT:PSS前驱溶液，并进行热退火；
步骤3：将PM6:Y6溶液滴覆在长方形培养皿边缘处超纯水表面，在其自由扩撒成膜后用带有PEDOT:PSS薄膜的基板将混合薄膜从水面转印至PEDOT:PSS薄膜上，并进行热退火，形成光活性层；
步骤4：在真空度为3*10-3Pa条件下，在光活性层表面蒸镀LiF，制备得到阴极缓冲层；
步骤5：在真空度为3*10-4Pa条件下，蒸镀金属阴极。
进一步地，在步骤2中，阳极缓冲层热退火温度范围在100～200℃，时间范围为0.5～1h。
进一步地，在步骤3中，所述不同光活性层的退火温度范围在80～150℃，时间范围为10～30min。
进一步地，所述热退火和低温烘烤方式采用恒温热台加热、烘箱加热、远红外加热、热风加热的一种或多种。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、自发定向成膜法是利用不同类型溶液界面特性制备薄膜的新型方法，该方法能够在极少用量(<100ul)的条件下快速(1s内)形成大面积(>50cm2)有机材料薄膜(<100nm)，相较于其他制膜方法，具有无与伦比的低制备成本特性，利于商业化大规模生产。
2、自发定向成膜法在两种不同溶液界面处制备薄膜，该方法利用有机溶剂与添加剂在不同溶剂中的溶解性不同，能够有效的促进易挥发的有机溶剂挥发，同时促进高沸点添加剂向水性溶液中溶解而出，在两个过程协同控制下实现对活性层薄膜垂直方向分子排布的有效控制，实现高质量薄膜的制备。
3、利用特制的长方形培养皿，能够有效的控制有机薄膜在液体表面的生长方向，进而精确调控有机薄膜内部材料分子的排布方向，实现高取向性有机薄膜的有效制备，该高取向性薄膜内部具备高载流子传输特性，且由于成膜质量高，亦利于改善活性层与其他功能层的接触，提高载流子面间传输特性，进而实现高性能有机太阳能电池的制备。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，其中：
图1是本发明长方形培养皿的实验过程示意图；
具体实施方式
实施例1（对照组）：
1.对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底及透明导电阳极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；
2.在透明导电阳极ITO表面旋转涂覆PEDOT:PSS(3000rpm,60s,45nm)制备阳极缓冲层，并将所形成的薄膜进行热退火处理(150℃,1h)；
3.在阳极缓冲层中心位置滴覆PM6:Y6(22mg/ml)溶液，采用旋转涂覆(5000rpm,40s,100nm)工艺制备光活性层薄膜，并进行退火(90℃,10min)；
4.在光活性层上蒸镀阴极缓冲层LiF(8nm)；
5.在阴极缓冲层上蒸镀金属阴极Ag(100nm)；
6.在标准测试条件下：AM1.5,100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)=0.83V，短路电流(JSC)=23.15mA/cm2，填充因子(FF)=0.71，光电转换效率(PCE)=13.64%。
实施例2：
1.对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底及透明导电阳极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；
2.在透明导电阳极ITO表面旋转涂覆ZnO(5000rpm,50s,40nm)制备阳极缓冲层，并将所形成的薄膜进行热退火处理(200℃,2h)；
3.将PM6:Y6溶液(22mg/ml)滴覆在长方形培养皿边缘处超纯水表面，在其自由扩撒成膜(80nm)后用带有PEDOT:PSS薄膜的基板将混合薄膜从水面转印至PEDOT:PSS薄膜上，并进行热退火(90℃,10min)，形成光活性层；
4.在光活性层上蒸镀阴极缓冲层LiF(8nm)；
5.在阴极缓冲层上蒸镀金属阴极Ag(100nm)；
6.在标准测试条件下：AM1.5,100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)=0.86V，短路电流(JSC)=27.61mA/cm2，填充因子(FF)=0.76，光电转换效率(PCE)=18.04%。
实施例3：
1.对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底及透明导电阳极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；
2.在透明导电阳极ITO表面旋转涂覆ZnO(5000rpm,50s,40nm)制备阳极缓冲层，并将所形成的薄膜进行热退火处理(200℃,2h)；
3.将PM6:Y6溶液(11mg/ml)滴覆在长方形培养皿边缘处超纯水表面，在其自由扩撒成膜(80nm)后用带有PEDOT:PSS薄膜的基板将混合薄膜从水面转印至PEDOT:PSS薄膜上，并进行热退火(90℃,10min)，形成光活性层；
4.在光活性层上蒸镀阴极缓冲层LiF(8nm)；
5.在阴极缓冲层上蒸镀金属阴极Ag(100nm)；
6.在标准测试条件下：AM1.5,100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)=0.85V，短路电流(JSC)=21.61mA/cm2，填充因子(FF)=0.73，光电转换效率(PCE)=13.41%。
实施例4：
1.对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底及透明导电阳极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；
2.在透明导电阳极ITO表面旋转涂覆ZnO(5000rpm,50s,40nm)制备阳极缓冲层，并将所形成的薄膜进行热退火处理(200℃,2h)；
3.将PM6:Y6溶液(18mg/ml)滴覆在长方形培养皿边缘处超纯水表面，在其自由扩撒成膜(80nm)后用带有PEDOT:PSS薄膜的基板将混合薄膜从水面转印至PEDOT:PSS薄膜上，并进行热退火(90℃,10min)，形成光活性层；
4.在光活性层上蒸镀阴极缓冲层LiF(8nm)；
5.在阴极缓冲层上蒸镀金属阴极Ag(100nm)；
6.在标准测试条件下：AM1.5,100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)=0.85V，短路电流(JSC)=25.26mA/cm2，填充因子(FF)=0.75，光电转换效率(PCE)=16.10%。
实施例5：
1.对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底及透明导电阳极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；
2.在透明导电阳极ITO表面旋转涂覆ZnO(5000rpm,50s,40nm)制备阳极缓冲层，并将所形成的薄膜进行热退火处理(200℃,2h)；
3.将PM6:Y6溶液(26mg/ml)滴覆在长方形培养皿边缘处超纯水表面，在其自由扩撒成膜(80nm)后用带有PEDOT:PSS薄膜的基板将混合薄膜从水面转印至PEDOT:PSS薄膜上，并进行热退火(90℃,10min)，形成光活性层；
4.在光活性层上蒸镀阴极缓冲层LiF(8nm)；
5.在阴极缓冲层上蒸镀金属阴极Ag(100nm)；
6.在标准测试条件下：AM1.5,100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)=0.82V，短路电流(JSC)=26.32mA/cm2，填充因子(FF)=0.55，光电转换效率(PCE)=11.87%。
实施例6：
1.对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底及透明导电阳极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；
2.在透明导电阳极ITO表面旋转涂覆ZnO(5000rpm,50s,40nm)制备阳极缓冲层，并将所形成的薄膜进行热退火处理(200℃,2h)；
3.将PM6:Y6溶液(22mg/ml)滴覆在常规圆形培养皿中心处超纯水表面，在其自由扩撒成膜(80nm)后用带有PEDOT:PSS薄膜的基板将混合薄膜从水面转印至PEDOT:PSS薄膜上，并进行热退火(90℃,10min)，形成光活性层；
4.在光活性层上蒸镀阴极缓冲层LiF(8nm)；
5.在阴极缓冲层上蒸镀金属阴极Ag(100nm)；
6.在标准测试条件下：AM1.5,100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)=0.85V，短路电流(JSC)=24.64mA/cm2，填充因子(FF)=0.73，光电转换效率(PCE)=15.29%。
可以看出：通过引入自发定向成膜法制备的大面积有机太阳能电池（即实施例2～5制备而成的有机太阳能电池），相比于未经处理制备的有机太阳能电池（即实施例1制备而成的有机太阳能电池），其Jsc变大，FF提高，Voc提升。这是由于自发定向成膜法制备的有机薄膜具有高取向性，其内部的载流子传输特性得到了大幅提升，因此器件短路电流密度有明显提升，其次，高质量薄膜具备良好的接触特性，降低了器件界面处的能量损耗，因此实现了对有机太阳能电池器件的高电压输出及高填充因子值。
进一步的，对比本发明中基于长方形培养皿制备的定向生长薄膜（即实施例2～5制备而成的有机太阳能电池）与常规圆形培养皿基的无序生长薄膜（实施例6）可知，具有取向性的薄膜具备更加优异的电池性能，表明本发明涉及的自发定向成膜法是行而有效的、制备高取向性薄膜的制膜工艺，对进一步有机太阳能电池行业发展提供了新思路。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明的保护范围，任何熟悉本领域的技术人员在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种自发定向成膜法制备的有机太阳能电池，其特征在于：从下到上依次为衬底，透明导电阳极，阳极缓冲层，光活性层，阴极缓冲层，金属阴极；
其中，光活性层采用自发定向成膜法制备光活性层薄膜，所述自发定向成膜法是将有机溶剂滴加至长方形培养皿侧边缘水性溶液表面，促进有机光活性层材料溶液定向扩散形成光活性层薄膜；
所述光活性层由电子给体材料PM6与电子受体材料Y6的混合溶液制备而成，厚度范围为80~300nm；所述混合溶液中PM6和Y6的质量百分比为1:6～6:1，所述混合溶液的浓度为10～30mg/ml。
2.根据权利要求1所述的一种自发定向成膜法制备的有机太阳能电池，其特征在于：所述阳极缓冲层材料为PEDOT:PSS，厚度范围为30～60nm。
3.根据权利要求1所述的一种自发定向成膜法制备的有机太阳能电池，其特征在于：所述金属阴极材料为Ag、Al或Au中的一种或多种，薄层厚度范围为100～200nm。
4.根据权利要求1所述的一种自发定向成膜法制备的有机太阳能电池，其特征在于：所述衬底材料为玻璃或透明聚合物，其中，透明聚合物材料为聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺、氯醋树脂或聚丙烯酸的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种自发定向成膜法制备的有机太阳能电池，其特征在于：所述有机太阳能电池的面积为1～10cm2。
6.一种自发定向成膜法制备有机太阳能电池的制备方法，其特征在于：制备过程包括以下步骤：
步骤1：对由透明衬底及透明导电阳极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；
步骤2：在透明导电阳极ITO表面旋转涂覆、印刷或喷涂阳极缓冲层PEDOT:PSS前驱溶液，并进行热退火；
步骤3：将PM6:Y6溶液滴覆在长方形培养皿边缘处超纯水表面，在其自由扩撒成膜后用带有PEDOT:PSS薄膜的基板将混合薄膜从水面转印至PEDOT:PSS薄膜上，并进行热退火；
步骤4：在真空度为3*10-3Pa条件下，在光活性层表面蒸镀LiF，制备得到阴极缓冲层；
步骤5：在真空度为3*10-4Pa条件下，蒸镀金属阴极。
7.根据权利要求6所述的一种自发定向成膜法制备有机太阳能电池的制备方法，其特征在于：在步骤2中，阳极缓冲层热退火温度范围在100～200℃，时间范围为0.5～1h。
8.根据权利要求6所述的一种自发定向成膜法制备有机太阳能电池的制备方法，其特征在于：在步骤3中，所述光活性层的退火温度范围在80～150℃，时间范围为10～30min。
9.根据权利要求6所述的一种自发定向成膜法制备有机太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述热退火采用恒温热台加热、烘箱加热、远红外加热、热风加热的一种或多种。
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